EAST中性束注入的能量损失研究

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EAST中性束注入系统的注入功率为2到4MW,在如此高功率注入条件下,对注入能量损失的相关物理过程进行数值模拟计算非常必要,一方面针对不同的等离子体参数为中性束注入实验提供参考,另一方面为工程建设和器壁保护提供一定功率密度沉积分析和热分析参考。阐述了中性束注入能量损失途径的基本原理,简述了中性束注入数值模拟程序的计算方法。基于特定的中性束注入角度,在具有环向对称性的平衡磁场位形下使用ONETWO/NUBEAM模拟程序,考察不同束能注入和不同背景等离子体参数条件,模拟计算了束穿透损失率、电荷交换损失率和坏轨道损失率。并以DⅢ-D一特定的束线穿透实验数据为依据校验了程序参数输入形式的可靠性。通过考察不同束能注入和不同背景等离子体密度温度的参数环境,在设定的参数范围内,计算表明能量损失的主要损失途径是束穿透损失。由数值模拟结果与经验公式对比,得出正常注入束穿透损失率约为20%。穿透损失率随等离子体密度增加指数衰减和随束能增加线性增长的模拟结果与理论预言一致。并以限制条件穿透损失率20%为例进行数据分析,得出了注入束能与等离子体密度间的线性依赖关系。通过这一关系可以快速提供,与中性束注入实验相匹配的束能注入参考方案。根据模拟获得的穿透损失率,考虑到穿透损失保持束的传播特性,通过推导解析近似的束传播功率密度分布表达式,详细计算了注入窗口器壁和EAST真空室内壁上的功率密度沉积分布。得出了内壁上功率密度大于1MW/m2的器壁保护区域。最后以EAST真空室内壁上的沉积功率为材料表面热通量,对相应热负载区进行几何建模和靶材料选择,用有限元分析的方法进行了铜靶和钼靶的温升时间演化计算。可为工程建设和器壁保护提供热分析参考。
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